Nie produkuje zimna. Przenosi ciepło.
To jedna z tych informacji, które potrafią zaskoczyć nawet osoby korzystające z klimatyzacji na co dzień. Wbrew obiegowej opinii klimatyzator nie jest urządzeniem produkującym zimno.
– Z punktu widzenia fizyki nie mówimy o wytwarzaniu zimna, lecz o odbieraniu energii cieplnej z jednego miejsca i przekazywaniu jej do innego. Klimatyzator jest po prostu bardzo sprawną pompą transportującą ciepło – wyjaśnia prof. dr hab. Paweł Kowalczyk, Kierownik Katedry Fizyki Ciała Stałego WFiIS.
Najłatwiej porównać go do lodówki. Jej wnętrze pozostaje chłodne nie dlatego, że urządzenie tworzy zimno, ale dlatego, że odbiera ciepło z produktów znajdujących się w środku i oddaje je do kuchni przez wymiennik umieszczony z tyłu urządzenia.
Klimatyzator działa dokładnie tak samo – tyle że zamiast chłodzić kilka półek z żywnością, odbiera ciepło z całego pomieszczenia i przenosi je poza budynek.
Wszystko zaczyna się od parowania
Jak wytłumaczyć zasadę działania klimatyzacji bez zaglądania do jej wnętrza?
Wystarczy przypomnieć sobie filiżankę gorącej herbaty pozostawionej na stole. Z czasem stygnie, ponieważ część wody z jej powierzchni odparowuje. Cząsteczki opuszczające ciecz zabierają ze sobą energię cieplną, a napój staje się coraz chłodniejszy.
Ten sam mechanizm wykorzystuje ludzki organizm. Gdy odparowuje pot, odbiera ciepło ze skóry i pomaga utrzymać właściwą temperaturę ciała.
Klimatyzator wykorzystuje identyczne zjawisko. Zamiast wody pracuje jednak specjalny czynnik chłodniczy, który bardzo łatwo przechodzi między stanem ciekłym a gazowym.
Niewidzialny bohater układu
Czynnik chłodniczy krąży w szczelnie zamkniętym obiegu.
W jednostce wewnętrznej zaczyna parować. Aby zmienić stan skupienia, pobiera energię z przepływającego przez wymiennik powietrza. To właśnie dlatego powietrze staje się chłodniejsze oddając część energii (ciepła) do czynnika chłodzącego zamieniając go z zimnej cieczy w ciepły gaz.
Następnie gaz trafia do sprężarki, gdzie zostaje silnie sprężony. Wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie również jego temperatura.
– To właśnie sprężarka wykonuje największą pracę. Dzięki niej czynnik chłodniczy staje się na tyle gorący, że może oddać zgromadzone wcześniej ciepło do powietrza na zewnątrz budynku. Energia nie znika – zmienia jedynie miejsce – podkreśla prof. Paweł Kowalczyk.
Gdzie znika ciepło?
To pytanie zadaje sobie wielu użytkowników klimatyzacji.
Odpowiedź jest prosta – nigdzie.
Jeżeli podejdziemy do pracującej jednostki zewnętrznej, poczujemy ciepły nawiew. To właśnie energia, która jeszcze chwilę wcześniej znajdowała się w naszym pokoju.
Po oddaniu ciepła czynnik chłodniczy ponownie zmienia się w ciecz i wraca do jednostki wewnętrznej. Tam cały proces rozpoczyna się od nowa i powtarza się setki razy w ciągu godziny.
Po co klimatyzatorowi prąd?
Skoro urządzenie nie produkuje zimna, do czego potrzebna jest energia elektryczna?
Przede wszystkim do napędzania sprężarki oraz wentylatorów. To one umożliwiają transport ciepła z wnętrza budynku na zewnątrz.
Można powiedzieć, że klimatyzator jest pompą ciepła działającą „w odwrotną stronę” – zamiast ogrzewać pomieszczenie, odbiera z niego energię cieplną.
Jak działa klimatyzator w 4 krokach?
① Parowanie
Czynnik chłodniczy paruje w jednostce wewnętrznej i pochłania ciepło z powietrza w pomieszczeniu.
② Sprężanie
Sprężarka zwiększa ciśnienie czynnika, a wraz z nim jego temperaturę.
③ Oddawanie ciepła
W jednostce zewnętrznej gorący czynnik przekazuje energię do powietrza na zewnątrz budynku i ponownie skrapla się.
④ Powrót
Schłodzony czynnik wraca do jednostki wewnętrznej, gdzie cały cykl rozpoczyna się od początku.
Fizyka, która chłodzi nasze lato
Klimatyzacja jest jednym z najlepszych przykładów na to, jak prawa fizyki przekładają się na codzienny komfort życia. Zjawiska związane z parowaniem, zmianą ciśnienia i przepływem energii cieplnej pozwalają skutecznie chłodzić domy, szkoły, laboratoria czy sale wykładowe.
Następnym razem, gdy po wejściu do chłodnego pomieszczenia odetchniesz z ulgą, pamiętaj, że klimatyzator nie stworzył zimna. Wykorzystał jedynie prawa termodynamiki, by przenieść ciepło tam, gdzie mniej nam przeszkadza.
Materiał źródłowy: prof. dr hab. Paweł Kowalczyk
